Comment fonctionnent les écrans à cristaux liquides ? Qu'est-ce qu'un écran LCD ? - Explication technique détaillée

1. cristaux liquides

1.1. Qu'est-ce que l'écran LCD

Nous savons tous que la matière a trois états : solide, liquide et gazeux. Ces trois états peuvent également être appelés phase solide, phase liquide et phase gazeuse. La plupart des substances dans la nature présentent des états solide, liquide et gazeux avec des changements de température. Comme l'eau, le sel et les substances constituées de chaque élément du tableau périodique. Ses unités constitutives, telles que les molécules d'eau ou les atomes de silicium, sont fondamentalement comme de petites boules. Lorsque la température diminue ou augmente, la disposition des unités constitutives passe d'un arrangement désordonné ultérieur à un arrangement net et ordonné. C'est-à-dire de la phase liquide à la phase gazeuse ou à la phase solide. Dans les cristaux, la disposition ordonnée des unités constitutives signifie que chaque unité constitutive est dans une certaine position, difficile à écouler et disposée régulièrement. Tant que les gens connaissent ses règles d'arrangement, ils peuvent partir d'une unité constitutive et les trouver selon la loi. Une autre unité, un ordre spatial strict. En plus de l'état solide, de l'état liquide et de l'état solide que nous connaissons, certaines substances, dans le processus de passage de l'état solide à l'état liquide, ne passent pas directement de l'état solide à l'état liquide, mais donnent un état intermédiaire. Substance dans un état intermédiaire qui semble être un liquide trouble en apparence. Mais ses propriétés optiques et certaines propriétés électriques sont semblables à celles des cristaux.

Il est anisotrope, comme les caractéristiques de biréfringence. À mesure que la température augmente, diverses substances troubles deviennent des liquides clairs et homogènes. Inversement, lorsque ces substances passent de l'état liquide à l'état solide, elles passent également par un état intermédiaire. Tous les types de substances qui peuvent avoir à la fois un état liquide et un état cristallin dans une certaine plage de température sont appelés cristaux liquides, également connus sous le nom de phase de cristal liquide, mésophase ou phase intermédiaire, également connue sous le nom de quatrième état de la matière.

1.2. Origine des cristaux liquides

Les cristaux liquides ont été découverts pour la première fois en 1888 par le botaniste autrichien F. Reinitzer. En mesurant le point de fusion de certaines substances, on constate que certaines substances (benzoate et esters d'esters de lipostérols) passent à l'état de liquide trouble blanc opaque après la fusion et émettent un éclat coloré et magnifique. Deviendront un liquide clair. En 1889, le physicien allemand O. Lehmann a observé ces composés lipidiques avec un microscope polarisant équipé d'un dispositif de chauffage conçu par lui à l'époque. Il a constaté que ce type de substance trouble blanche ressemble à un liquide en apparence. Cependant, elle présente une biréfringence caractéristique des cristaux anisotropes. Lehmann l'a donc appelé « cristal liquide ». C'est l'origine du LCD.

Pour plus de détails, veuillez consulter cet article : Comment l’écran à cristaux liquides a-t-il été inventé ? L’histoire de l’évolution de la technologie d’affichage.

1.3. Types d'écrans LCD :

Avec le développement de la science et l'amélioration des connaissances, on a découvert que les substances à cristaux liquides sont essentiellement des composés organiques. Un composé organique sur 200 présente une phase de cristal liquide. Du point de vue de la composition et des conditions physiques d'apparition des phases de cristaux liquides, les cristaux liquides peuvent être divisés en deux catégories : les cristaux liquides thermotropes et les cristaux liquides lyotropes. Lorsque certaines substances organiques sont chauffées et dissoutes, des cristaux liquides se forment en raison de la destruction du réseau cristallin par le chauffage, ce qui est appelé cristaux liquides thermotropes, c'est-à-dire que certaines substances apparaissent sous forme de phases de cristaux liquides en raison du chauffage comme mentionné ci-dessus. De même, certaines substances organiques sont placées dans un certain solvant, et le cristal liquide formé parce que le solvant détruit le réseau cristallin est appelé cristal liquide soluté. Il s'agit d'une phase de cristal liquide qui apparaît en raison de changements de concentration de la solution. Les plus courantes sont l'eau savonneuse, etc. Actuellement, la plupart des matériaux d'affichage sont des cristaux liquides thermotropes. Jusqu'à présent, plus de 20,000 XNUMX types de cristaux liquides ont été découverts.

Parmi les nombreux cristaux liquides, le cristal liquide le plus étudié est le cristal liquide unitaire composé de molécules organiques simples en forme de tige, qui sont les plus largement utilisées dans la technologie d'affichage. Tous les types de molécules ont généralement la structure illustrée à la figure (1) : la molécule Le noyau rigide est composé de deux cycles benzéniques et d'un groupe fonctionnel au milieu, et il y a des groupes alkyles plus mous ou d'autres chaînes moléculaires organiques plus molles aux deux extrémités du noyau. Comme le montre la figure (1), il y a un époxy dans une chaîne de fusion La structure de la résine fait de la molécule une molécule chirale.

Selon les différents arrangements des molécules de cristaux liquides, on peut les diviser en trois catégories : les cristaux liquides nématiques, les cristaux liquides cholestériques et les cristaux liquides smectiques.

Figure 1)

1.3.1 Cristal liquide nématique :

Le centre de gravité des espèces moléculaires du cristal liquide nématique est chaotique et désordonné, de sorte qu'il peut s'écouler comme un liquide ordinaire, mais les directeurs des tiges moléculaires sont à peu près les mêmes, comme le montre la figure (2).

1.3.2 Cristal liquide cholestérique :

Dans les cristaux liquides cholestériques, la disposition des centres de gravité des molécules est désordonnée, mais l'orientation des molécules

Un vecteur pointe approximativement dans une direction dans un plan. dans une direction perpendiculaire à ce plan. Le directeur de la molécule va tourner pour former une structure hélicoïdale, comme le montre la figure (3) :

1.3.3 Cristal liquide smectique :

Dans les cristaux liquides smectiques, les molécules forment une structure couche par couche. L'épaisseur de la couche moléculaire est d'environ la longueur d'une molécule. Les molécules sont disposées perpendiculairement au plan de la couche moléculaire et le centre de gravité des molécules est désordonné dans la couche moléculaire, formant un fluide bidimensionnel couche par couche. Comme le montre l'image (4)

Figure (2)(3)(4)

En résumé, les cristaux liquides peuvent être grossièrement divisés en trois catégories ci-dessus. Différents types de cristaux liquides ont des propriétés physiques différentes en raison de leurs différentes structures. En raison de la plage de température stable spéciale du matériau à cristaux liquides avec une anisotropie thermotrope au-dessus de la température ambiante. Seul ce type de cristal liquide peut être utilisé comme matériau d'affichage. La structure cristalline est si solide qu'elle est facilement affectée par des influences externes telles que les champs électriques, les champs magnétiques, les contraintes thermiques et les impuretés adsorbées. Par conséquent, il est facile de modifier ses propriétés optiques. Cet arrangement moléculaire faible des cristaux liquides est la condition clé pour que les cristaux liquides aient un large marché aujourd'hui.

2. Moniteur LCD

Le cristal liquide a un moment dipolaire fixe, donc l'application d'un champ électrique peut déplacer l'axe des molécules du cristal liquide, ce qui modifie la disposition des molécules du cristal liquide. Cela modifie ainsi ses propriétés optiques pour obtenir son effet d'affichage. C'est le principe de base du cristal liquide en tant qu'affichage.

2.1. Qu'est-ce qu'un écran LCD :

Grâce aux divers effets électro-optiques des cristaux liquides, les changements dans les conditions limites telles que le champ électrique, le champ magnétique, la lumière et la température peuvent être convertis en signaux visuels dans certaines conditions. C'est ce qu'on appelle un affichage à cristaux liquides, qui est généralement représenté par un écran LCD. Le cristal liquide a été utilisé pour la première fois dans la fabrication d'écrans par RCA Corporation aux États-Unis en mai 1968, et a été largement utilisé dans les domaines d'affichage domestiques, industriels et militaires tels que les horloges et les montres, les calculatrices, l'instrumentation, les ordinateurs portables, les téléphones portables, les téléavertisseurs, les animaux de compagnie électroniques, les téléviseurs couleur de poche, les grands écrans plats et les téléviseurs à projection.

2.2. Avantages et inconvénients de l'affichage à cristaux liquides :

La technologie d'affichage de l'information devient de plus en plus importante avec le développement de la socialisation de l'information, et les écrans à cristaux liquides présentent de nombreux avantages par rapport aux autres écrans ; Écran plat, de petite taille, léger, facile à transporter ; Faible consommation d'énergie et faible tension de commande ; Longue durée de vie, généralement plus de 50,000 XNUMX heures ; Ne contient pas de rayons nocifs et est inoffensif pour le corps humain ; Affichage passif, pas facile à laver par une forte lumière ; Facile à conduire, peut être directement piloté par des circuits intégrés à grande échelle ; Structure simple, pas de pièces mécaniques compliquées ; Faible coût de construction.

Avec la large application de l'affichage à cristaux liquides, les gens peuvent également trouver certains inconvénients : Puisqu'il s'agit d'un composant passif et n'émet pas de lumière, il doit s'appuyer sur d'autres sources lumineuses pour être visible dans l'obscurité ; Il y a des angles de vision limités ; La vitesse de réponse (30 ms-120 ms) n'est pas aussi bonne que celle des autres composants ; la vie n'a pas pu devenir un composant semi-permanent.

3. Classification LCD

3.1 Il existe de nombreux types d'écrans à cristaux liquides, qui peuvent être divisés en écrans à vision directe et à projection transmissifs et réfléchissants selon la méthode d'affichage.

3.1.1 Le côté nord de l'écran LCD transmissif est équipé de lampes fluorescentes, d'électrodes électroluminescentes et d'autres sources lumineuses. Par conséquent, il peut également être utilisé dans des conditions de faible luminosité ambiante.

3.1.2 Le type réfléchissant est une sorte de feuille réfléchissante en aluminium fixée à l'extérieur du substrat en verre à l'arrière de l'écran LCD pour réfléchir la lumière incidente de l'écran LCD pour l'affichage. Dans les modes TN et STN, un polariseur et un réflecteur plissé sont fixés au substrat en verre arrière. Ce type réfléchissant tire pleinement parti de la faible consommation d'énergie des écrans LCD non lumineux.

3.2 Les écrans LCD produits par effet photoélectrique sont grossièrement divisés en types suivants : TN-LCD, STN-LCD, HTN-LCD, FSTN-LCD et TFT-LCD.

 3.2.1 Le TN-LCD est un écran à cristaux liquides nématique torsadé. Nous savons tous que les molécules de cristaux liquides sont fondamentalement parallèles à la disposition de la plaque de base, mais l'orientation des molécules de cristaux liquides supérieure et inférieure est torsadée et la torsion globale est de 900. Le TN-LCD est l'écran le plus ancien, le plus largement utilisé, le plus grand et le moins cher. Le processus de fabrication du TN-LCD est fondamentalement mature et il est actuellement principalement produit à Singapour, à Taiwan, en Chine continentale et dans d'autres régions. La Chine est désormais la principale base de production du TN-LCD. Les écrans LCD que nous voyons habituellement dans les montres électroniques, les calculatrices, les consoles de jeux, etc. sont principalement des TN-LCD.

3.2.2 STN-LCD est l'abréviation de Super Twist Liquid Crystal Display. C'est-à-dire un écran LCD nématique super torsadé. Sa structure est similaire à celle du TN-LCD, la différence est que son angle de torsion n'est pas de 90°, mais entre 180 et 270°, bien qu'il ne s'agisse que de l'angle de torsion, son principe de fonctionnement est complètement différent de celui du TN-LCD. Le STN-LCD est un produit de milieu de gamme dans la production actuelle d'écrans LCD. Il a pour caractéristiques d'afficher plus d'informations que le TN-LCD, et il est principalement utilisé dans divers instruments, machines d'affichage chinoises, blocs-notes, ordinateurs portables, etc. Le processus de fabrication du STN-LCD est fondamentalement mature, mais la technologie principale est entre les mains de quelques pays comme le Japon et la Corée du Sud. Il existe plus de dix entreprises de fabrication de STN-LCD en Chine.

3.2.3 HTN-LCD est l'abréviation de Hight Twist Nematic Liquid Crystal Display (écran à cristaux liquides nématiques à haute torsion). Il s'agit d'un écran à cristaux liquides nématiques à haute torsion. Le HTN-LCD est similaire en structure au TN-LCD et au STN-LCD. C'est juste que l'angle de torsion du HTN-LCD est de 100°~120°, entre le TN-LCD et le STN-LCD. Il n'y a pas beaucoup de HTN-LCD actuellement, et leurs performances se situent entre le TN-LCD et le STN-LCD.

3.2.4 FSTN-LCD est l'abréviation de Film Super Twist Nematic Liquid Crystal Display. Ce film fait référence au film de compensation ou au film de retardement, donc FSTN-LCD est appelé écran à cristaux liquides nématique super torsadé à film de compensation. Les inconvénients du STN-LCD peuvent être surmontés par un film de compensation spécialement traité.

3.2.5 Le TFT-LCD est un écran LCD à matrice active avec transistors à couches minces, qui est le produit de la plus haute qualité sur le marché actuel des écrans LCD. Il est principalement utilisé dans les ordinateurs portables, les téléviseurs LCD, etc. Le processus de fabrication du TFT-LCD est relativement compliqué et le prix est relativement élevé. À l'heure actuelle, le Japon et la Corée du Sud sont des pays relativement matures dans la production de TFT-LCD. Dans mon pays, seule la province du Jilin envisage d'investir dans des lignes de production de TFT-LCD.

4. La structure, le principe de fonctionnement et les principaux indicateurs techniques de l'écran LCD (prenons l'exemple du TN-LCD).

4.1 Structure de l'écran LCD  

① Polariseur ; ② Verre de substrat ; ③ Couche barrière SIO2 ; ④ Électrode ; ⑤ Film d'orientation ; ⑥ Cadre d'étanchéité ; ⑦ Électrode de transition ; ⑧ Cristal liquide ;

4.2 Principe de fonctionnement de l'écran LCD :

Pour comprendre le fonctionnement des écrans LCD, il faut d’abord comprendre la lumière. Il s’agit d’une onde électromagnétique. Autrement dit, le champ électromagnétique se propage sous forme d’ondes. La gamme de longueurs d’onde de la lumière visible à l’œil humain se situe approximativement entre 380 et 780 nanomètres.

En général, la lumière se propage en ligne droite et la direction de vibration des ondes lumineuses est perpendiculaire à la direction de propagation de la lumière. Pour la lumière naturelle (comme la lumière du soleil), dans chaque plan perpendiculaire à la direction de propagation de la lumière, les directions de vibration des ondes lumineuses sont réparties de manière aléatoire et uniforme.

Si la direction de vibration de l'onde lumineuse est dans une seule direction, cette lumière est appelée lumière polarisée et cette direction de vibration est appelée direction de polarisation. Le plan formé par la direction de polarisation et la direction de propagation de l'onde lumineuse est appelé plan de vibration.

Les polariseurs ont un axe de polarisation fixe. La fonction du polariseur est de ne laisser passer que la lumière dont la direction de vibration est cohérente avec la direction de son axe de polarisation. La lumière dont la direction de vibration est perpendiculaire à l'axe de polarisation sera absorbée par celui-ci. De cette façon, lorsque la lumière naturelle traverse le polariseur incident de la cellule à cristaux liquides (appelé son polariseur), seule la lumière ayant la même direction de vibration que l'axe de polarisation du polariseur reste.

C'est-à-dire une lumière polarisée linéairement. La lumière polarisée traverse la cellule à cristaux liquides puis sort par un polariseur (appelé analyseur). De cette manière, le passage de la lumière à travers l'analyseur dépend de l'état de polarisation de la lumière polarisée linéairement après son passage à travers la cellule à cristaux liquides. Cela permet de contrôler l'état de la lumière traversant l'analyseur pour réaliser l'affichage.

Plus précisément, les molécules de cristaux liquides dans la cellule à cristaux liquides de type TN forment une structure torsadée. Dans certaines conditions, la polarisation de la lumière incidente tournera dans le sens de la torsion des molécules de cristaux liquides. L'axe long des molécules de cristaux liquides est torsadé de 90°, ce qui entraîne une rotation optique de 90°. Lorsqu'une certaine tension est appliquée aux électrodes des deux feuilles de verre, les molécules de cristaux liquides se transforment en un arrangement perpendiculaire aux feuilles de verre supérieure et inférieure, et la structure torsadée disparaît, ce qui entraîne la disparition de la rotation optique, et cet effet électro-optique est appelé effet de champ électrique torsadé.

Pour un écran à cristaux liquides noir sur blanc, les polariseurs supérieur et inférieur sont placés orthogonalement. C'est-à-dire que les axes de polarisation sont perpendiculaires l'un à l'autre et que la lumière naturelle incidente devient une lumière polarisée plane après avoir traversé le polariseur. Lorsqu'aucun champ électrique n'est appliqué à la cellule à cristaux liquides, la lumière polarisée sera tordue le long de la structure torsadée de la molécule de 90°, la direction de vibration devient cohérente avec l'axe de polarisation de l'analyseur, de sorte qu'elle peut traverser l'analyseur en douceur, et l'écran est dans un état transparent à ce moment-là, et est dans un état de non-affichage, et le circuit de commande ajoute la tension du signal de commande aux électrodes concernées qui doivent être affichées, la structure torsadée de cette partie des molécules de cristaux liquides disparaît. Puissance optique perdue. La lumière polarisée du polariseur va directement à l'analyseur sans changement. Parce que sa direction de polarisation est perpendiculaire à l'axe de l'analyseur. La lumière polarisée ne pourra pas traverser l'analyseur, de sorte que la partie de l'électrode qui transmet la tension du signal apparaîtra noire, dans l'état d'affichage.

4.3 Principaux indicateurs techniques de l'écran LCD :

4.3.1 Caractéristiques de réponse électro-optique :

La transmittance relative de la lumière de l'écran à cristaux liquides change avec le changement de la tension du signal externe, qui est la caractéristique de réponse électro-optique, qui est l'une des caractéristiques les plus importantes.

4.3.2 Contraste :

Le contraste d'un écran à cristaux liquides est le rapport entre la transmission relative de la lumière de l'état d'affichage et de l'état de non-affichage. Lorsque le contraste est ≥ 5, l'image est nette.

4.3.3 Perspectives :

Le rapport de contraste d'un écran LCD est lié à l'angle de vision (c'est-à-dire à l'angle de vision de l'œil humain). La caractéristique selon laquelle le contraste varie avec l'angle de vision est appelée caractéristique d'angle de vision. Indicateur de caractéristique d'angle de vision. En général, une valeur minimale acceptable de contraste est déterminée pour examiner la plage d'angles de vision où le contraste est supérieur à cette valeur, et cette plage est appelée cône d'angle de vision. Par exemple, lorsque le rapport de contraste d'un écran LCD = 3 valeurs d'angle de vision. Son angle de vision supérieur est de 10°, son angle de vision inférieur est de 40° et ses angles de vision gauche et droit sont de 30°.

L'angle de vision est l'angle entre la direction de vision et la normale du dispositif d'affichage. Direction de vision (quadrant du meilleur angle de vision) : les écrans à cristaux liquides nématiques torsadés ont une direction de vision optimale et l'angle de vision avant général (angle de vision positif) est déterminé à partir de l'angle θ de cette direction.

L'un des inconvénients des écrans LCD par rapport aux autres écrans est leur plage d'angles de vision plus étroite. Si le produit de l'épaisseur de la cellule et de l'anisotropie de l'indice de réfraction des cristaux liquides △n*d=0.5 micron environ, les caractéristiques d'angle de vision de l'appareil seront grandement améliorées. Mais son environnement de fabrication est plus exigeant.

4.3.4 Temps de réponse :

Les écrans LCD affichent souvent des images changeantes. Le temps de réaction de l'œil humain est de l'ordre de quelques millisecondes. Par conséquent, la réponse au changement de l'image affichée et au changement de la tension du signal ne doit pas être inférieure à cette vitesse. Le temps de réponse pour décrire les caractéristiques dynamiques de l'écran à cristaux liquides est généralement exprimé par trois constantes, telles que le temps de retard, le temps de montée et le temps de descente.

4.3.5 Consommation électrique:

La consommation d'énergie est l'énergie consommée par le fonctionnement de l'écran LCD, généralement de l'ordre de microwatts/centimètre carré, et la faible consommation d'énergie est l'un des plus grands avantages de l'écran LCD. La consommation d'énergie de l'écran LCD dépend de la surface d'affichage, de la tension et de la fréquence de commande, de la résistivité du cristal liquide, de la constante diélectrique et de l'épaisseur de la cellule, etc. Parmi eux, la résistivité positive du cristal liquide est facile à chuter brusquement lorsque le cristal liquide est pollué. Par conséquent, la bonne conservation du cristal liquide est très importante.

4.3.6 Caractéristiques de température :

Nous savons que les matériaux à cristaux liquides ne présentent un état de cristal liquide que dans une certaine plage de températures, et même dans la plage de températures de l'état de cristal liquide, les changements de température affecteront les paramètres physiques du matériau à cristaux liquides. Tels que la viscosité, la constante diélectrique et la constante élastique, etc.

5. Matières premières utilisées pour fabriquer les écrans LCD et processus de fabrication des écrans LCD.

5.1 Les matières premières utilisées dans la fabrication des écrans LCD font référence aux matières premières conservées dans le produit après la fabrication de l'écran LCD. Il s'agit principalement de : cristaux liquides en verre ITO, polariseur, liquide PI, colle de sérigraphie (colle pour cadre d'impression, colle conductrice), colle d'étanchéité, poudre de Ni, joint en plastique, etc. D'une manière générale, les trois principales matières premières des écrans LCD sont : les cristaux liquides, le verre ITO et le polariseur. Les matières auxiliaires pour la fabrication des écrans LCD font référence aux matières premières utilisées dans le processus de production et qui n'existent pas dans le produit final, telles que : résine photosensible et diluant, NMP, diluant PI, liquide BC, diluant SiO2, tissu abrasif, isopropanol, éthanol, acétone, agent de nettoyage, acide, alcali, etc.

5.2 Les matières premières mentionnées ci-dessus sont celles que nous connaissons pour l'utilisation des LCD. En fait, le processus de fabrication des LCD et le processus de production des LCD sont le processus de traitement et de combinaison de ces matières premières. Le diagramme de processus spécifique est le suivant : Préparation du matériau ; Nettoyage et séchage ; Collage ; Cuisson avant ; Exposition ; Développement ; Sclérodermie ; Gravure ; Retrait du film ; Film d'alignement du revêtement ; Pré-séchage et durcissement ; Orientation ; Sérigraphie ; Étalage ; Ajustement (combinaison) ; Durcissement ; Découpe ; Remplissage LC ; Scellage (distribution et cimentation) ; Nettoyage ; Petites fissures, nettoyage ; Redirection (cuisson) ; Inspection visuelle ; Inspection électrique ; Découpe et collage ; Inspection finale ; Emballage ; Entreposage